Новая разновидность электронного микроскопа способна генерировать видео на атомном уровне, показывающее тончайшие изменения, происходящие в материалах при внешнем воздействии или в ходе химических реакций. И это не было бы удивительным, если бы не временáя шкала — новая установка способна раскладывать на множество кадров события, длящиеся триллионные доли секунды.

Оригинальная техника съёмки, названная четырёхмерной электронной микроскопией (4D electron microscopy), разработана в физико-биологическом центре науки и технологии ультрабыстрых процессов (Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology — UST) Калифорнийского технологического института.

В основе устройства — система, которая позволяет контролировать с высокой точностью траекторию каждого отдельного электрона, направляемого на образец. Причём изображение снимается (фиксируется отражённый сигнал) также по отдельности для каждого электрона (а они идут с точно отмерянными интервалами в фемтосекунду (10⁻¹⁵ с), а не для их "обобщённого" потока, как в установках прежних поколений.

Миллионы таких кадров, проигрываемых с нужной скоростью, формируют фильм, демонстрирующий ранее неуловимые изменения в образцах.

Общий принцип электронного 4D-микроскопа (иллюстрация Nano Letters/Caltech).

Главный автор этого проекта Ахмед Зивейл (Ahmed Zewail) в 1999-м получил Нобелевку по химии за разработку метода ультрабыстрой съёмки молекул, освещаемых сверхкороткими лазерными импульсами. Тот способ придал съёмке атомарного масштаба новое измерение — время, но не давал того высокого пространственного разрешения, которое было присуще электронным микроскопам.

В новом устройстве учёные сумели "соединить" оба принципа, впервые получив подвижную картинку в малом масштабе как во времени, так и в пространстве.

Для проверки аппарата они пронаблюдали за тонкими (порядка нанометра) листами золота и графита. Удалось визуализировать небольшие и очень быстротечные (с частотой порядка мегагерца) механические колебания таких структур (в частности, возникающие при быстром нагреве образца), которые можно было зафиксировать во всех деталях, только преодолев по шкале времени пикосекундный масштаб и пойдя дальше, практически к фемтосекундам.

А в настоящее время специалисты UST занимаются аналогичной съёмкой компонентов живой клетки — белков и рибосом.

Различные подробности работы изложены в статье в Science, а ещё — в материале, опубликованном в журнале Nano Letters.

Ранее мы рассказывали, как учёные добивались съёмки движения отдельных молекул с фемтосекундным масштабом при помощи ультракоротких лазерных импульсов, как с помощью схожей техники удалось зафиксировать перемещение электронов в молекуле в ходе химической реакции и как исследователи запечатлевали внутреннюю структуру образцов на атомном уровне при помощи очень мощного сверхкороткого рентгеновского импульса.